开发定制功率模块解决方案：哪些是必须要考虑的

    在过去的几年中，由于最终应用中节约成本和提高效率的严格功率设计约束，使得功率模块市场的需求迅速变化。研发工程师正寻求创新的解决方案，这些解决方案中高集成度和最新的芯片技术是设计阶段的驱动因素。功率模块供应商不得不满足这些要求，并提供优化的解决方案以满足客户的愿望。

    赛米控也投入到重点定制解决方案，对其进行裁剪，满足客户的需求(根据客户的需求而量身定制)，以提供最好的装配解决方案。

     本文概述了提供定制解决方案以满足不断变化的功率模块设计和性能的市场需求时所要考虑的方方面面。

    Eng. Marco Di Lella – 赛米控意大利公司产品经理

    如今的功率模块研发工程师正在开发能够确保最佳效率性能、功耗并节省空间的电气拓扑结构。

    有些市场对这些话题是非常敏感的。UPS和太阳能市场就是最好的例子：客户与客户之间应用的布局复杂性可能有很大的不同。为了找到用于实现高性能的最佳电气解决方案和最少功率模块数量，有一项研究一直在进行。电动汽车应用是一个新兴的市场，在为其提供功率模块解决方案时，上述议题都将具有挑战性。

    其他一些市场，如焊接或电机驱动，不受这些约束的影响，只需要相当标准的电气配置，只需要对现有配置进行少量变化以及可能基于最新芯片技术进行重新设计。对于此类市场，最具成本效益的产品是功率模块供应商的制胜因素。

    图片1显示了客户需求和功率模块供应商策略之间是如何相互关联的：

图1 - 客户需求与功率模块供应商策略之间的相互关联

    根据市场的不同，实施不同的策略：

    非成本驱动的市场：制胜因素是有能力提供解决方案满足客户的特殊需求。在这种情况下，差异化是关键，使客户能够认识到方案的独特性是其他竞争对手无法提供。

    成本驱动的市场：需要提供相当标准的解决方案。该市场通常是基于每年高的销售量。

    赛米控提供功率模块解决方案以满足两个市场的需求，并且认识到定制解决方案是个重要的市场。其在意大利的子公司的目标是为客户提供特殊类型的产品。

    有三个重要的关键点：

    聚焦应用

    产品快速上市

    客户差别化

    聚焦应用

    为了满足客户的要求，赛米控在合适的功率模块中提供合适的芯片技术。这样具有大功率集成度和节省空间的优点。

    赛米控提供带基板或者不带基板的功率模块，采用不同的功率接触界面，如焊接端子或螺丝端子。该平台可以集成最新的芯片技术，如SiC二极管、用于高电压应用的MOSFET和用于高开关频率的IGBT（图2）。

图2：能够用于提供定制解决方案的可用平台和芯片

    应用支持团队建议（推荐选择）芯片和功率模块之间的最佳组合。来自不同应用市场如UPS、光伏、电气传动、焊接及铁路应用的经验，在热性能和电气仿真的帮助下，可帮助选择合适的封装和合适的模块数量来构建所需的电气配置，从而保证应用的最佳的热性能。

    从可靠性和动态视角来说，最新的芯片技术是全部合格的。芯片技术已经通过了17种以上的不同可靠性测试，测试时间超过10000小时，被考虑用于一个定制项目。

    产品快速上市

    电力电子是一个动态的市场，产品的开发和推广特别重要。对于客户来说，能够以多快的速度准备好第一个原型以及能够以多快的速度投入大规模生产是取得市场成功必不可少的因素：产品首先在市场上市意味着抢占竞争对手的市场份额。

    任何新项目始于客户终于客户，通过功率模块供应商项目评估，确定产品生命周期过程。

图3：产品生命周期过程

    产品面市时间是指从项目发布到量产之间的时间。

    每个验证阶段都由一系列必须满足的步骤组成。为了能够继续到下一个步骤，每个验证阶段结束时生产一些原型交付给客户用于最终的批准。

    当开发一个新项目时，赛米控意大利公司每天都为其客户提供支持，以实现产品的快速上市。这意味着在项目所有阶段的合作：客户参与项目的定义过程以确保工程规范的快速定义。这有助于消除设计过程后期代价高昂的方案改变，以便第一时间得到正确的请求。

    软件支持被用于最大限度地减少工程工作量，以确保根据客户的要求生产每一件产品。这样可以根据客户的要求快速生产定制模块。

    赛米控已建立起灵活的生产：同类产品被分为系列，可在相同的设备中以相同的顺序加工。这样可以缩短产品生产之间的转换时间。因此减少了产品交货时间，带来高品质的产品，同时降低了制造成本并准时交货。

    客户优势

    功率模块市场往往基于标准的电气配置。在大多数情况下，定制解决方案无法在市场上获得，客户需要付出很多努力以实现所需的配置。可能需要一个以上的功率模块来组装最终的配置；模块数量甚至随着配置复杂度的增加而增加。应用所需的空间变得相关，PCB布线变得更加困难，特别是如果引脚分配没有为此目的进行过优化。客户将因此面临着巨大的材料管理成本和大量的物流付出。PCB布线问题延长了开发时间，最终应用成本将增加。客户将需要更多的时间来进入市场。

    因此，定制方案就成为克服上述问题的正确解决方案。通过使用自定义的电气配置，可减少模块数量，每个功率模块将只配备所需的电气指标。得益于模块引脚分配和PCB布线需要之间的完美匹配，PCB设计所需的工作减少了，节省了开发时间。材料成本大为降低，物流和装配过程更容易。减少了装配错误的发生，增加了制造可靠性。

    事实上，相对于使用标准模块，定制解决方案通过节省空间和降低成本减少了最终应用的外形尺寸。

    如图4为已进行的一项采用额定40A/1200V IGBT和二极管开发三相PWM整流降压转换器的个案研究。

    基于TO器件的标准解决方案和基于赛米控SEMIPONT™6平台的定制解决方案之间的对比已经完成。

图4：三相PWM整流降压转换器的设计

    由于非常复杂的布局，标准解决方案需要27个TO器件，而定制方案只需一个SEMIPONT™6模块集成到整个三相配置中。每个TO器件需要一个螺丝用于散热器的安装，而功率模块只需两个安装螺丝，一步即可完成安装。由于功率模块引脚分配是根据客户需求而设计的，而TO器件不具有灵活的功率引脚位置，因此在PCB布线方面具有显而易见的优势。

    因此，调查证实了使用定制解决方案所带来的好处，尤其在材料成本、装配时间和制造工艺方面：

    定制解决方案可显著减少10%的材料成本。成本分项如图片5所示。

    由于减少了需要管理的部件，装配时间也减少了。仅需处理一个模块而不是27个，估计装配时间最多减少达85%。

    所需处理部件的减少也降低了装配错误发生的风险。制造错误可减少高达80%。更少的部件确保了更高的制造可靠性和更高的直通率。

图5：材料成本拆分和组装时间比较

    结论

    除了功率模块中批量驱动的标准配置，赛米控还以各种外壳提供客户专用的拓扑结构，应对专门应用中市场的细分需求。赛米控已经在意大利子公司成立于一个技术支持和产业结构，通过专业的应用支持团队、经验丰富的研发团队和灵活的模块生产，以短而有效的方式来处理特定的客户需求。

    由于减少了材料处理、高集成度带来的尺寸减小以及更高的生产可靠性，客户认识到定制解决方案在易于装配过程方面的优势。<